CN112903433B - 节理岩体强度尺寸效应规律量化方法 - Google Patents

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Abstract

一种节理岩体强度尺寸效应规律量化方法，包括以下步骤：1)选取一块大尺寸方形岩体，采用某取样方法进行系列尺寸岩体取样，并开展力学性质试验研究获取岩体力学参数；2)以最小岩体长度和对应的力学参数为基准，分别进行无量纲化处理，获得岩体长度和对应力学参数的标准化值；3)对步骤2)中的数据进行拟合处理，获得岩体力学参数随尺寸的变化函数；4)结合步骤3)中公式(1)，统计尺寸理论公式得到变化指数k，该值由公式的选取决定，用于对正负等尺寸效应进行量化评价，但当系列尺寸参数不随尺寸变化时，认为参数k＝0。本发明有效评价尺寸效应规律。

Description

节理岩体强度尺寸效应规律量化方法
技术领域
本发明涉及一种节理岩体强度尺寸效应规律量化方法，具体为基于尺寸效应理论相似性规律的尺寸效应律分析方法，以更好地评估岩体尺寸效应变化趋势。
背景技术
基于大量尺寸效应规律研究，较多学者围绕岩石、混凝土提出了相应的理论，主要包括Weibull尺寸效应理论、能量释放尺寸效应理论和裂纹分形特性尺寸效应理论等理论，这些理论是基于不同的原理提出的。其中Weibull尺寸效应理论认为准脆性材料内部存在缺陷，随着材料几何尺寸的增大，结构中缺陷存在的范围和频率也会逐渐增大，尺寸效应的明显程度也会逐渐增加。能量释放尺寸效应理论认为尺寸效应的产生是裂纹扩展时应变能耗散引起的。另外，裂纹分形特性尺寸效应理论则认为裂纹分形特征差异是导致材料产生尺寸效应的重要原因。基于以上理论分析，各学者都认为在一定的尺寸范围内，不同的尺寸效应产生原因均会导致系列尺寸的力学参数值随着试样尺寸的变化而变化，也得到了尺寸效应律的概念。针对尺寸效应律，都给出了相应的表达式，均是建立尺寸比值与力学参数比值的相关性，具有一定的相似规律。
在本发明作出之前，目前关于尺寸效应理论模型的关联性对比较少。以上理论模型的应用能够实现尺寸效应规律的量化表征。此外，Obert等和刘宝琛等通过多组岩样的试验结果，通过函数拟合法提出了尺寸效应经验模型。杨友卿结合分维数原理分析岩石强度与尺寸之间的关系，提供了一种新理论分析方法，解析了两尺寸岩石强度之间的转换关系。总之，这些模型往往适用于特定试验条件下的研究，无法统一解释尺寸效应变化特征，使得尺寸效应规律的量化评价显得尤为重要。
发明内容
为了克服已有技术无法有效量化评价节理岩体强度尺寸效应规律的不足，本发明提供了一种有效评价尺寸效应规律的节理岩体强度尺寸效应规律量化方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种节理岩体强度尺寸效应规律量化方法，包括以下步骤：
1)选取一块大尺寸方形岩体，采用某取样方法进行系列尺寸岩体取样，并开展力学性质试验研究获取岩体力学参数；
2)以最小岩体长度和对应的力学参数为基准，分别进行无量纲化处理，获得岩体长度和对应力学参数的标准化值；
3)对步骤2)中的数据进行拟合处理，获得岩体力学参数随尺寸的变化函数如公式(1)；
Figure GDA0002988651100000021
式中：
Figure GDA0002988651100000022
表示任意尺寸参数的平均值，l0、
Figure GDA0002988651100000023
表示参考尺寸及对应参数值的平均值，k表示变化指数；
4)结合步骤3)中公式(1)，统计尺寸理论公式得到变化指数k，该值由公式的选取决定，用于对正负等尺寸效应进行量化评价，但当系列尺寸参数不随尺寸变化时，认为参数k＝0。
进一步，所述步骤4)中，尺寸理论公式为：
Figure GDA0002988651100000024
其中，
Figure GDA0002988651100000025
为平均名义强度，
Figure GDA0002988651100000026
为参考平均强度参数，D为任意尺寸，D0为参考尺寸；
变化指数为：
Figure GDA0002988651100000027
其中，nd为结构的维数(＝2或3)，m是材料的均质度且m>1；
或者是：所述步骤4)中，尺寸理论公式为：
Figure GDA0002988651100000028
其中，σNu为名义强度，σ0为参考强度参数；
变化指数为：
Figure GDA0002988651100000029
再或者是：所述步骤4)中，尺寸理论公式为：
Figure GDA00029886511000000210
其中，Dch是材料特征尺寸，σt为最小名义拉伸强度；
变化指数为：
Figure GDA0002988651100000031
本发明的有益效果主要表现在：结合尺寸效应理论的相似性规律对比分析，提出一种新的尺寸效应评价方法，可以较为准确地解析岩体尺寸效应特征，更好地实现系列尺寸力学参数随尺寸变化的定量化分析。
附图说明
图1是抗压强度平均值比值随尺寸比值的变化规律图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1，一种节理岩体强度尺寸效应规律量化方法，包括以下步骤：
5)选取一块大尺寸方形岩体，采用某取样方法进行系列尺寸岩体取样，并开展力学性质试验研究获取岩体力学参数；
6)以最小岩体长度和对应的力学参数为基准，分别进行无量纲化处理，获得岩体长度和对应力学参数的标准化值；
7)对步骤2)中的数据进行拟合处理，获得岩体力学参数随尺寸的变化函数如公式(1)；
Figure GDA0002988651100000032
式中：
Figure GDA0002988651100000033
表示任意尺寸参数的平均值，l0、
Figure GDA0002988651100000034
表示参考尺寸及对应参数值的平均值，k表示变化指数；
8)结合步骤3)中公式(1)，统计尺寸理论公式得到变化指数k，该值由公式的选取决定，用于对正负等尺寸效应进行量化评价，但当系列尺寸参数不随尺寸变化时，认为参数k＝0。
进一步，所述步骤4)中，参照Weibull提出的尺寸理论公式为：
Figure GDA0002988651100000035
其中，
Figure GDA0002988651100000036
为平均名义强度，
Figure GDA0002988651100000037
为参考平均强度参数，D为任意尺寸，D0为参考尺寸；
变化指数为：
Figure GDA0002988651100000038
其中，nd为结构的维数(＝2或3)，m是材料的均质度且m>1；
或者是：所述步骤4)中，参照Bazant提出的尺寸理论公式为：
Figure GDA0002988651100000041
其中，σNu为名义强度，σ0为参考强度参数；
变化指数为：
Figure GDA0002988651100000042
再或者是：所述步骤4)中，参照Carpinteri提出的尺寸理论公式为：
Figure GDA0002988651100000043
其中，Dch是材料特征尺寸，σt为最小名义拉伸强度；
变化指数为：
Figure GDA0002988651100000044
本实例基于节理网络模型的抗压强度数值试验结果，具体实施方式如下：
1)选取10m×10m方形岩体，采用代表性取样方法获取尺寸为1m×1m～9m×9m的岩体样本，开展单轴压缩试验研究获取岩体抗压强度；
2)以最小岩体长度和对应抗压强度为基准参数，分别进行无量纲化处理，获得岩体长度和抗压强度的标准化值；
3)结合公式(1)，统计系列尺寸岩体抗压强度平均值比值随尺寸比值的变化规律见图1，从图中可以看出，系列尺寸岩体的
Figure GDA0002988651100000045
与li/l1均呈现较好的幂函数关系；
4)通过拟合得到变化指数k1＝-0.63894，该参数能更好地量化尺寸效应的变化程度，从而能更深层次解释岩体力学性质的尺寸效应。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种节理岩体强度尺寸效应规律量化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)选取一块大尺寸方形岩体，采用代表性取样方法获取尺寸为1m×1m～9m×9m的小尺寸样本，开展单轴压缩试验研究获取岩体抗压强度；
2)以最小岩体长度和对应的力学参数为基准，分别进行无量纲化处理，获得岩体长度和对应力学参数的标准化值；
3)对步骤2)中的数据进行拟合处理，获得岩体力学参数随尺寸的变化函数如公式(1)；
Figure FDA0003796989080000011
式中：
Figure FDA0003796989080000012
表示任意尺寸参数的平均值，l0、
Figure FDA0003796989080000013
表示参考尺寸及对应参数值的平均值，k表示变化指数；
4)结合步骤3)中公式(1)，统计尺寸理论公式得到变化指数k，该值由公式的选取决定，用于对正负等尺寸效应进行量化评价，但当系列尺寸参数不随尺寸变化时，认为参数k＝0。
2.如权利要求1所述的一种节理岩体强度尺寸效应规律量化方法，其特征在于，所述步骤4)中，尺寸理论公式为：
Figure FDA0003796989080000014
其中，
Figure FDA0003796989080000015
为平均名义强度，
Figure FDA0003796989080000016
为参考平均强度参数，D为任意尺寸，D0为参考尺寸；
变化指数为：
Figure FDA0003796989080000017
其中，nd为结构的维数，取2或3，m是材料的均质度且m>1；
3.如权利要求1所述的一种节理岩体强度尺寸效应规律量化方法，其特征在于，所述步骤4)中，尺寸理论公式为：
Figure FDA0003796989080000018
其中，σNu为名义强度，σ0为参考强度参数，D为任意尺寸，D0为参考尺寸；
变化指数为：
Figure FDA0003796989080000019
4.如权利要求1所述的一种节理岩体强度尺寸效应规律量化方法，其特征在于，所述步骤4)中，尺寸理论公式为：
Figure FDA00037969890800000110
其中，Dch是材料特征尺寸，σt为最小名义拉伸强度，D为任意尺寸；
变化指数为：
Figure FDA0003796989080000021
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